Loài 'giun quỷ' bí ẩn sống sâu dưới lòng đất khiến giới khoa học bất ngờ

Phần đầu của Halicephalobus mephisto. Ảnh: Gaetan Borgonie

Theo truyền thông Anh ngày 30/7, nếu khoan xuống lòng đất ngay dưới chân mình và tiếp tục đi sâu vào lớp vỏ Trái Đất, con người sẽ nhanh chóng phải đối mặt với điều kiện khắc nghiệt. Khi ánh sáng Mặt Trời biến mất và tiến gần hơn tới lõi nóng chảy của hành tinh, nhiệt độ và áp suất tăng mạnh, trong khi nước ngầm len lỏi vào các khe nứt trong đá. Ở độ sâu khoảng 1,3 km, nhiều người sẽ cho rằng không thể tồn tại sự sống.

Tuy nhiên, nếu may mắn, có thể bắt gặp hàng tỷ vi khuẩn, đôi khi tạo thành những lớp màng màu cam hoặc trắng nổi bật. Nếu có kính hiển vi, con người thậm chí còn có thể quan sát thấy một loài giun nhỏ dùng các phần phụ quanh miệng để bò dọc theo bề mặt đá.

Đó là Halicephalobus mephisto, hay còn gọi là “giun quỷ”, đang săn tìm vi khuẩn. Dù chỉ dài bằng bề ngang của vài sợi tóc người, nhưng nó lại là “gã khổng lồ” trong hệ sinh thái cực nhỏ này. Khi chết trong lớp màng vi sinh vật giống như chất nhầy bám trên đá, cơ thể của nó sẽ bị vi khuẩn và các sinh vật khác phân hủy, góp phần duy trì vòng tuần hoàn sự sống kỳ lạ trong môi trường sâu dưới lòng đất.

Trước những năm 1980, phần lớn các nhà sinh học cho rằng sự sống không thể tồn tại quá khoảng 30 cm dưới mặt đất. Việc phát hiện vi khuẩn sống ở tầng sâu và sau đó là “giun quỷ” vào năm 2011 đã làm thay đổi hoàn toàn nhận thức về sự sống trong lòng Trái Đất.

Câu chuyện về loài giun này cho thấy sự sống, kể cả động vật, vẫn có thể tồn tại mà không cần năng lượng từ Mặt Trời hay bầu khí quyển giàu oxy. Điều đó mở rộng đáng kể giới hạn mà các nhà khoa học từng cho là có thể đối với sinh vật sống, đồng thời gợi mở những giả thuyết mới về nguồn gốc và tương lai của sự sống.

Bà Karen Lloyd, nhà địa vi sinh học tại Đại học Nam California, nói: “Nếu có thể tìm thấy một con giun ở dưới đó thì còn bao nhiêu điều khác mà chúng ta chưa biết? Điều đó mở ra vô vàn khả năng”.

Nhờ một chuỗi may mắn hiếm có, các nhà khoa học đã nhân giống thành công từ cá thể “giun quỷ” duy nhất và liên tục nghiên cứu các thế hệ hậu duệ nhằm tìm hiểu cách loài này tồn tại trong môi trường nóng và tối dưới lòng đất.

Khám phá sinh quyển sâu

Những bằng chứng thuyết phục đầu tiên về sự sống dưới lòng đất xuất hiện vào thập niên 1990. Năm 1997, các nhà khoa học phát hiện vi khuẩn ở độ sâu tới 2,8 km trong một giếng khoan khí tự nhiên.

Đầu những năm 2000, nhà sinh học Gaetan Borgonie, người sáng lập Viện nghiên cứu phi lợi nhuận Extreme Life Isyensya (Bỉ), đặt câu hỏi liệu các loài giun tròn có thể tồn tại sâu dưới lòng đất hay không.

Ông Borgonie cho biết nhiều nhà khoa học kỳ cựu từng cười nhạo ý tưởng rằng những sinh vật đa bào phức tạp có thể sống ở độ sâu như vậy. Tuy nhiên, với hiểu biết về khả năng chịu đựng phi thường của giun tròn, ông tin giả thuyết này đáng để kiểm chứng.

Thực tế, sau khi tàu con thoi Columbia của Mỹ tan rã trong khí quyển năm 2003, một thí nghiệm mang theo giun tròn từ độ cao khoảng 64 km rơi xuống Trái Đất, các cá thể này vẫn sống sót và tiếp tục sinh sản.

Năm 2008, ông Borgonie cùng các chuyên gia nghiên cứu sự sống cực hạn tới mỏ vàng Beatrix ở Nam Phi. Tại độ sâu khoảng 1,3 km, nhóm nghiên cứu khai thác nước có nhiệt độ khoảng 37°C từ các lỗ khoan trong đá rồi cho chảy qua bộ lọc để thu thập sinh vật.

Sau khi lọc hơn 6.000 lít nước, họ thu được đúng một con giun nhỏ.

Tại hai mỏ khác ở Nam Phi, nhóm nghiên cứu lọc hơn 12 triệu lít nước và phát hiện nhiều loài giun tròn khác nhau cùng các động vật không xương sống, nấm và nhiều vi sinh vật.

Phần lớn các loài này cũng xuất hiện trên bề mặt Trái Đất. Tuy nhiên, con giun thu được tại mỏ Beatrix (có phần đuôi bị đứt trong quá trình lọc) là loài chưa từng được ghi nhận. Năm 2011, nhóm nghiên cứu công bố đây là loài mới và đặt tên là Halicephalobus mephisto.

Đối với giun tròn, việc mất đuôi gần như đồng nghĩa với cái chết. May mắn là cá thể này là con cái và có khả năng sinh sản đơn tính, tức có thể sinh sản mà không cần giao phối. Trước khi chết, nó đã đẻ được 8 quả trứng có khả năng phát triển.

Ông Borgonie nói rằng họ thực sự rất may mắn và cho biết từ đó đến nay ông chưa từng tìm thấy thêm một cá thể “giun quỷ” nào khác.

Một số hậu duệ của cá thể này hiện được nuôi trong phòng thí nghiệm cùng điều kiện với Caenorhabditis elegans – loài giun tròn được nghiên cứu rất kỹ và thường sống trên trái cây mục.

Tuy nhiên, “giun quỷ” không bơi trong nước mà bám vào thành ống nhựa, khả năng có lẽ giúp chúng bám vào đá trong môi trường tự nhiên.

Loài này cũng không thích ăn vi khuẩn E. coli vốn là nguồn thức ăn quen thuộc của Caenorhabditis elegans, mà bò tới các loại vi khuẩn khác phát triển trong đĩa nuôi cấy.

Đáng chú ý, “giun quỷ” phát triển rất kém ở nhiệt độ phòng. Ở 20°C, chu kỳ sống của chúng kéo dài tới 8 ngày. Trong khi đó, ở 37°C, chúng sinh sản thuận lợi chỉ sau khoảng 2 ngày.

Thích nghi để tồn tại

Việc nghiên cứu một loài chỉ từ hậu duệ của một cá thể duy nhất là rất khó khăn, đặc biệt khi chúng đã sống xa môi trường tự nhiên trong thời gian dài. Tuy nhiên, ông Bracht vẫn tìm thấy nhiều manh mối quan trọng.

Năm 2019, khi giải trình tự bộ gien của Halicephalobus mephisto, nhóm nghiên cứu phát hiện loài này sở hữu số lượng lớn bất thường các gien tạo ra protein sốc nhiệt, giúp bảo vệ các protein khác khỏi tổn thương do nhiệt độ cao.

Đến năm 2024, nhóm tiếp tục nghiên cứu phân tử cytochrome oxidase c, thành phần quan trọng trong quá trình sử dụng oxy để tạo năng lượng.

Các thí nghiệm cho thấy phân tử này chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ phòng, nó gần như “tắt”, khiến quá trình tạo năng lượng chậm lại, giải thích vì sao “giun quỷ” hoạt động rất chậm trong điều kiện này.

Cơ chế này có thể là chiến lược sinh tồn, giúp loài giun chỉ sinh sản mạnh khi gặp môi trường thuận lợi hơn, tức nhiệt độ cao.

Hiện nhóm nghiên cứu cũng tìm hiểu liệu khả năng sinh sản đơn tính có phải là một thích nghi giúp loài này tồn tại dưới lòng đất hay không.

Do các cá thể rất hiếm khi gặp nhau trong không gian rộng lớn dưới lòng đất, sinh sản đơn tính có thể là cách duy nhất để duy trì nòi giống.

Dù vậy, hình thức sinh sản này thường bị cho là bất lợi vì không tạo ra đa dạng di truyền như sinh sản hữu tính. Nhiều nhà khoa học cho rằng các loài chỉ sinh sản đơn tính khó tránh khỏi nguy cơ tuyệt chủng.

Các nhà khoa học cho rằng có thể vẫn tồn tại các cá thể đực của “giun quỷ”, chỉ là chưa được phát hiện.

Sự sống bền bỉ dưới lòng đất

Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác những sinh vật này đến được môi trường sâu dưới lòng đất bằng cách nào.

Nghiên cứu của ông Borgonie và bà Cara Magnabosco thuộc Đại học ETH Zurich (Thụy Sĩ) cho thấy ít nhất một số loài giun tròn đã di chuyển từ bề mặt xuống theo dòng nước, có thể được hỗ trợ bởi các rung chấn địa chấn. Một số loài sống sót, số khác thì không.

Các nhà khoa học ước tính vi sinh vật trong sinh quyển sâu chiếm khoảng 12-20% tổng sinh khối vi sinh vật trên Trái Đất.

Những vi khuẩn này đã tiến hóa nhiều cơ chế tinh vi để khai thác carbon và năng lượng trong môi trường tối tăm, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong duy trì các sinh vật phức tạp hơn như giun tròn.

Chúng không chỉ là nguồn thức ăn mà còn có thể tạo ra lượng nhỏ oxy cần thiết cho giun tròn dưới lòng đất. Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh độ axit trong các khoang nước ngầm, chúng còn tạo điều kiện thuận lợi để các sinh vật lớn hơn phát triển.

Ngược lại, động vật không xương sống cũng cung cấp nitơ qua chất thải và carbon từ cơ thể sau khi chết, giúp nuôi dưỡng cộng đồng vi sinh vật.

Các hệ sinh thái dưới lòng đất này có thể đã tồn tại suốt hàng trăm triệu năm.

Nghiên cứu của bà Maggie Lau thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Biển sâu Trung Quốc cho thấy một số loài vi khuẩn sống sâu trong lớp vỏ Trái Đất có thể đã tồn tại từ thời siêu lục địa Pangaea bắt đầu tách rời cách đây khoảng 165 triệu năm, khi khủng long vẫn còn thống trị hành tinh.

Các chuyên gia cho rằng nghiên cứu “giun quỷ” và những sinh vật dưới lòng đất có thể giúp con người hiểu rõ hơn điều kiện hình thành sự sống trên Trái Đất, đồng thời hỗ trợ tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh. Nếu tồn tại sự sống trên Sao Hỏa, nhiều khả năng chúng cũng nằm dưới bề mặt hành tinh này.

Thậm chí, nếu một tiểu hành tinh đủ lớn va vào Trái Đất và xóa sổ toàn bộ sự sống trên bề mặt, các sinh vật dưới lòng đất có thể là nền tảng để sự sống xuất hiện trở lại.